ingeniería industrial optimización de plantas...

Optimización de plantas termosolares

Norberto Redondo MelchorDoctor Ingeniero Industrial

Universidad de SalamancaEscuela Técnica Superior de

Ingeniería Industrial

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© NRM 2012 - ETSII Béjar - Universidad de Salamanca

ProgramaI. Primer bloque

1. Optimización de plantas termosolares: enfoque y propuestas

2. La perspectiva de la modularidad

3. El enfoque de bajo-coste4. Análisis de un prototipo

modularII. Segundo bloque

1. Fundamentos de captación de energía solar

2. Fundamentos de la conversión termoeléctrica

3. Optimización del uso del fluido de trabajo (I)

III. Tercer bloque1. Optimización del uso del fluido de trabajo (II)

2. Optimización del uso del fluido de trabajo (III)

IV. Cuarto bloque1. Diseño virtual de prototipos2. Optimización de diseños

2


Bloque primero

1. Optimización de plantas termosolares: enfoque y propuestasa. Objetivos de rentabilidad y

eficienciab. Ventajas e inconvenientes de

los diseños habitualesc. Alternativas y mejoras

2. La perspectiva de la modularidada. Ventajas e inconvenientes de

la modularidadb. Estimación de costes y

beneficios

c. Prototipos3. El enfoque de bajo-coste

a. Dispositivos de concentración solar

b. Conversión termoeléctricac. Suproductos valorizables

4. Análisis de un prototipo modulara. Esquema de principiob. Estimaciones

termodinámicasc. Análisis coste - beneficio y

rentabilidadd. Tecnología empleada

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Optimización de plantas termosolares: enfoque y propuestas

Objetivos de rentabilidad y eficiencia

Enfoque clásico:

• Máximo rendimiento termodinámico

• Máxima eficiencia en el proceso• Máxima capacidad de la planta• Máxima rentabilidad

Enfoque alternativo:

• Máximo rendimiento termodinámico

• Máxima eficiencia en el proceso• Máxima capacidad de la planta• Máxima rentabilidad

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Ventajas e inconvenientes de los diseños habituales

Configuraciones habituales:

• Colectores planos tipo Eurotrough

• Torre central

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Instalaciones de colectores planos:

• Espejos cilindro parabólicos• Turbina única• Tamaño único 50 MW• Hibridación con gas natural• Elevadas temperaturas y presiones

de trabajo (100 bar, 400ºC)

Almacenamiento en sales fundidas

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Espejos cilindro parabólicos

• Diseño comprobado• Eficacia comprobada• Financiación asegurada

• Complejidad de instalación

• Problemas de orientación

• Coste elevado

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Turbina única:

• Diseño comprobado• Eficacia comprobada• Financiación asegurada

• Dificultades de arranque y parada

• Componente crítico para la planta

• Instalaciones auxiliares complicadas

• Altas necesidades de mantenimiento

• Coste elevado

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Tamaño único (50 MW):

• Optimiza la inversión• Eficacia comprobada• Financiación asegurada

• Grandes extensiones del campo solar

• Abundante demanda de agua

• Importante infraestructura de conexión a red

• Dificultades de gestión

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Hibridación con gas natural:

• Optimiza el rendimiento• Tecnología convencional• Financiación asegurada

• Problemas de optimización de producción

• Disminuye la rentabilidad de la planta

• Reduce el atractivo “renovable”

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Elevadas temperaturas de trabajo:

• Incrementa el rendimiento termodinámico

• Financiación asegurada

• Requiere equipos especiales

• Requiere materiales específicos

• Incrementa los costes de mantenimiento

• Introduce graves riesgos de seguridad para las personas

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Alternativas y opciones de mejora

Enfoque clásico:

• Optimización tecnológica de equipos existentes

• Mejoras en materiales• Investigación química• Modelos termodinámicos• Herramientas de simulación• Modelos de predicción atmosférica

Enfoque alternativo:

• Cambio de sistemas• Colectores solares• Bloque de potencia• Almacenamiento térmico

• Búsqueda de alternativas• Generación directa de vapor• Diseño modular

• Aplicaciones adicionales

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Bloque primero






beneficios







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La perspectiva de la modularidad

Ventajas e inconvenientes de la modularidad

Ventajas:

• Componentes de pequeño tamaño

• Eficacia del aprovechamiento a baja irradiación solar

• Innecesaria hibridación con gas

• Flexibilidad de la gestión• Tamaño escalable• Replicabilidad• Adaptación al entorno• Integración con procesos

industriales

Inconvenientes:

• Costes de desarrollo• Novedad financiación• Intuitivamente más caro

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Estimación de costes y beneficios

Costes de desarrollo ⇑ :

• Sistema de colectores• Bloque de conversión

termoeléctrica• Sistema de gestión y control• Métodos de refrigeración

Inversión necesaria ⇄ :

• Equipos modulares ⇑• Enfoque bajo coste ⇓• Eliminación instalación gas ⇓

Ingresos por venta de energía ⇑ :

• Simplicidad de gestión ⇑• Eliminación coste gas ⇑

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Prototipos

Microturbina de vapor de agua:

• Pn ≤ 275 kW• Bloque turbina - alternador• Elevada eficiencia ≥ 80%• Gran fiabilidad y robustez• Instalación “llegar y

enchufar”• Funcionamiento simple• 0.14 ≤ p ≤ 13.8 bar g• 100 ≤ T ≤ 200 ºC

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Prototipos

Microturbina de vapor de refrigerante:

• 200 ≤ Sn ≤ 250 kW• R245fa

(pentafluoropropano)• Bloque turbina -

alternador• Instalación “llegar y

enchufar”• Funcionamiento

simple• 90 ≤ T ≤ 150 ºC agua

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Bloque primero






beneficios







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El enfoque de bajo coste

Dispositivos de concentación solar

Concentradores planos tipo Fresnel

Generación directa de vapor

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Conversión termoeléctrica

Ciclo de vapor de agua Ciclo de vapor de refrigerante orgánico (ORC)

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Subproductos valorizables

Agua tibia de refrigeraciónAgua caliente de procesoVapor de proceso

Aplicaciones industriales adyacentes

• Procesamiento de suero lácteo• Secado de cereal, de semillas• Secado de madera (astillas)• Climatización agropecuaria

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Bloque primero






beneficios







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Análisis de un prototipo modular

Esquema de principio

Vapor sobrecalentado

Pn = 1.325 MW2300 ≤ ta ≤2550 h

Campo solar260ºC / 30 bar25ºC recalentamiento

Turbinas235ºC / 15 bar33ºC recalentamiento

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Esquema de principio

Vapor justamente saturado

Pn = 1.325 MW2300 ≤ ta ≤2550 h

Campo solar235ºC / 30 bar0ºC recalentamiento

Turbinas202ºC / 15 bar0ºC recalentamiento

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Análisis de un prototipo modularEsquema de principio

Patente WO2009014480 Patente US5467624

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Patente WO2010022184

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Patente solicitada Universidad de Salamanca

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Estimaciones termodinámicas

Diagrama presión - temperatura del vapor

Contenido entálpico del vapor sobrecalentado a 10 bar g y 300ºC

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1 P 200 psig 14.79barT 500ºF 260.00ºCh 2946.8 kJ/kg

2 P 3psig 1.21 barT 220ºF 104.44ºCx 88,89%h 2444.2 kJ/kg

3 P 3 psig 1.21barT 220ºF 104.44ºCh 437.9 kJ/kgv 0.0010469 m3/kg

4 P 200 psig 16.27 barT 220ºF 104.44ºCh 439.4 kJ/kg

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campo solar -6 819.97 kW

turbina 1 325.00 kW

bomba -4.29 kW

condensador 5 457.26 kW

rendimiento del ciclo 19,98%

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Análisis coste - beneficio y rentabilidad

Estimación de la producción anual

Irradiación media diaria en una superficie perpendicular a los rayos solares (W/m2) 41ºN

Fuente: Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) © European Communities, 1995-2009

U. T. En Feb Ma Abr Ma Jun Jul Ag Se Oct No Dic

4:52 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

5:07 0 0 0 0 0 74 0 0 0 0 0 0

5:22 0 0 0 0 67 152 117 0 0 0 0 0

5:37 0 0 0 0 141 250 215 0 0 0 0 0

5:52 0 0 0 0 236 326 312 121 0 0 0 0

6:07 0 0 0 121 305 393 389 230 0 0 0 0

6:22 0 0 0 210 364 451 456 333 61 0 0 0

6:37 0 0 102 282 415 501 513 415 147 0 0 0

6:52 0 0 203 338 458 546 563 485 257 0 0 0

7:07 0 0 320 385 496 584 606 545 341 86 0 0

7:22 0 98 394 424 529 618 643 597 413 172 0 0

7:37 0 179 453 458 557 647 676 641 474 263 0 0

7:52 99 261 502 487 581 672 703 679 525 329 111 0

8:07 171 316 542 512 603 694 727 711 569 383 182 95

8:22 247 361 575 533 621 713 748 739 606 429 242 146

8:37 298 399 603 552 636 729 765 762 638 468 287 197

8:52 338 430 626 567 649 742 780 782 666 500 325 228

9:07 370 457 646 581 660 753 792 799 689 528 356 254

9:22 397 479 663 592 669 763 802 813 709 552 383 276

9:37 420 498 677 601 677 770 810 825 725 572 405 294

9:52 439 514 689 609 683 776 817 834 739 589 425 310

10:07 455 528 698 615 688 781 822 842 751 603 441 323

10:22 469 539 706 620 691 785 826 848 761 615 455 334

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Análisis de un prototipo modularAnálisis coste - beneficio y rentabilidad

Estimación de la producción anual campo solar -2 273.32 kW

turbina 441.67 kW

U. T. Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

5:37 - - - - - 1 1 - - - - - 5:52 - - - - 1 1 1 - - - - - 6:07 - - - - 1 1 1 1 - - - - 6:22 - - - 1 1 1 1 1 - - - - 6:37 - - - 1 1 2 2 1 - - - - 6:52 - - 1 1 1 2 2 2 1 - - - 7:07 - - 1 1 1 2 2 2 1 - - - 7:22 - - 1 1 2 2 2 2 1 - - - 7:37 - - 1 1 2 2 2 2 1 1 - - 7:52 - 1 2 1 2 2 2 2 2 1 - - 8:07 - 1 2 1 2 2 2 2 2 1 - - 8:22 1 1 2 2 2 2 2 2 2 1 1 - 8:37 1 1 2 2 2 2 2 2 2 1 1 - 8:52 1 1 2 2 2 2 2 2 2 1 1 - 9:07 1 1 2 2 2 2 2 3 2 2 1 19:22 1 1 2 2 2 2 3 3 2 2 1 19:37 1 1 2 2 2 2 3 3 2 2 1 19:52 1 1 2 2 2 2 3 3 2 2 1 1

10:07 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 1 110:22 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 1 110:37 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 1 110:52 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 1 111:07 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 1 111:22 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 1 111:37 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 1 111:52 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 1 1

U. T. Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

12:22 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 1 112:37 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 1 112:52 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 1 113:07 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 1 113:22 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 1 113:37 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 1 113:52 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 1 114:07 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 1 114:22 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 1 114:37 1 1 2 2 2 2 3 3 2 2 1 114:52 1 1 2 2 2 2 3 3 2 2 1 115:07 1 1 2 2 2 2 3 3 2 2 1 115:22 1 1 2 2 2 2 2 3 2 2 1 115:37 1 1 2 2 2 2 2 2 2 1 1 - 15:52 1 1 2 2 2 2 2 2 2 1 1 - 16:07 1 1 2 2 2 2 2 2 2 1 1 - 16:22 - 1 2 1 2 2 2 2 2 1 - - 16:37 - 1 2 1 2 2 2 2 2 1 - - 16:52 - - 1 1 2 2 2 2 1 1 - - 17:07 - - 1 1 2 2 2 2 1 - - - 17:22 - - 1 1 1 2 2 2 1 - - - 17:37 - - 1 1 1 2 2 2 1 - - - 17:52 - - - 1 1 2 2 1 - - - - 18:07 - - - 1 1 1 1 1 - - - - 18:22 - - - - 1 1 1 1 - - - - 18:37 - - - - 1 1 1 - - - - - 18:52 - - - - - 1 1 - - - - - 19:07 - - - - - - - - - - - - 19:22 - - - - - - - - - - - - Total 8,0 13,5 20,0 20,0 23,0 25,0 31,0 30,0 20,0 16,0 8,0 6,5Total 248 378 620 600 713 750 961 930 600 496 240 202

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Potencia eléctrica instalada (MW) 1,325

Nº turbinas ideales (441.7 kW) 3

Total horas func. anual (media turbinas) 2.317

Producción anual (MWh/año) 3.070

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Tecnología empleada

Campo solar de colectores planos

tipo Fresnel

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Tecnología empleada

Microturbina de vapor

Microturbina de refrigerante

R245fa

Efriador evaporativo

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Análisis de un prototipo modularTecnología empleada Bloque 1.325 MW

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Análisis de un prototipo modularTecnología empleada Bloque 1.325 MW

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Tecnología empleada Bloque 1.325 MW

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Tecnología empleada 2 bloques de 1.325 MW

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Tecnología empleada Varios bloques de 1.325 MW

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